Summary

Fabricación de las heteroestructuras de van der Waals con alineación rotacional precisa

Published: July 05, 2019
doi:

Summary

En este trabajo describimos una técnica que se utiliza para crear nuevos cristales (van der Waals heteroestructuras) apilando materiales 2D en capas ultrafinas con control preciso sobre la posición y la orientación relativa.

Abstract

En este trabajo describimos una técnica para crear nuevos cristales (van der Waals heteroestructuras) apilando materiales 2D en capas ultrafinas. Demostramos no sólo el control lateral, sino, lo que es más importante, también el control sobre la alineación angular de las capas adyacentes. El núcleo de la técnica está representado por una configuración de transferencia casera que permite al usuario controlar la posición de los cristales individuales involucrados en la transferencia. Esto se logra con una precisión submicrométrica (traslacional) y subgrado (angular). Antes de apilarlos juntos, los cristales aislados son manipulados individualmente por etapas móviles diseñadas a medida que son controladas por una interfaz de software programada. Además, dado que toda la configuración de transferencia está controlada por ordenador, el usuario puede crear de forma remota heteroestructuras precisas sin entrar en contacto directo con la configuración de transferencia, etiquetando esta técnica como “manos libres”. Además de presentar la configuración de transferencia, también describimos dos técnicas para preparar los cristales que posteriormente se apilan.

Introduction

La investigación en el floreciente campo de los materiales bidimensionales (2D) comenzó después de que los investigadores desarrollaran una técnica que permitió el aislamiento del grafeno1,2,3 (una lámina atómicamente plana de átomos de carbono) de Grafito. El grafeno es un miembro de una clase más grande de materiales 2D en capas, también conocidos como materiales o cristales van der Waals. Tienen una fuerte unión intracapa covalente y un acoplamiento intercapa van der Waals débil. Por lo tanto, la técnica para aislar el grafeno del grafito también se puede aplicar a otros materiales 2D donde se pueden romper los enlaces entre capas débiles y aislar capas individuales. Un desarrollo clave en el campo fue la demostración de que así como los enlaces van der Waals que mantienen capas adyacentes de materiales bidimensionales juntos se pueden romper, también se pueden volver a juntar2,4. Por lo tanto, los cristales de materiales 2D se pueden crear apilando controlariamente capas de materiales 2D con propiedades distintas. Esto despertó un gran interés, ya que los materiales anteriormente inexistentes en la naturaleza se pueden crear con el objetivo de descubrir fenómenos físicos antes inaccesibles4,5,6,7 ,8,9 o el desarrollo de dispositivos superiores para aplicaciones tecnológicas. Por lo tanto, tener un control preciso sobre el apilamiento de materiales 2D se ha convertido en uno de los principales objetivos en el campo de investigación10,11,12.

En particular, se demostró que el ángulo de torsión entre las capas adyacentes en las heteroestructuras de van der Waals era un parámetro importante para controlar las propiedades del material13. Por ejemplo, en algunos ángulos, la introducción de un giro relativo entre capas adyacentes puede desacoplar las dos capas de forma eficaz electrónicamente. Esto fue estudiado tanto en grafeno14,15 así como en la transición de metal dichalcogenides16,17,18,19. Más recientemente, sorprendentemente se encontró que también puede alterar el estado de la materia de estos materiales. El descubrimiento de que el grafeno bicapa orientado en un “ángulo mágico” se comporta como un aislante Mott a bajas temperaturas e incluso un superconductor cuando la densidad de electrones está correctamente ajustada ha despertado un gran interés y una comprensión de la importancia del control angular al fabricar entoncesdes de van der Waals13,20,21.

Motivados por las oportunidades científicas que se abren gracias a la idea de afinar las propiedades de los materiales novedosos de van der Waals ajustando la orientación relativa entre las capas, presentamos un instrumento casero junto con el procedimiento para crear tales estructuras con control angular.

Protocol

1. Instrumentación para el procedimiento de transferencia Para visualizar el proceso de transferencia, utilice un microscopio óptico que pueda funcionar bajo iluminación de campo brillante. Dado que los tamaños típicos de los cristales2D son de 1 a 500 m 2, equipar el microscopio con objetivos de 5x, 50x y 100x de larga distancia de trabajo. El microscopio también debe estar equipado con una cámara que se conecte a un ordenador (Figura1a). Utilice manipu…

Representative Results

Para ilustrar los resultados y la eficacia de nuestro procedimiento presentamos una secuencia de pilas controladas por ángulo de cristales delgados de disulfuro de renio (ReS2). Para enfatizar que el método descrito también se puede aplicar a capas atómicamente delgadas, también ejemplificamos la construcción de dos monocapas relativamente retorcidas de disulfuro de molibdeno (MoS2). Para demostrar la…

Discussion

La configuración de transferencia casera presentada aquí ofrece un método para construir nuevos materiales en capas con control lateral y rotacional. En comparación con otras soluciones descritas en la literatura10,25, nuestro sistema no requiere infraestructura compleja, sin embargo, logra el objetivo de alineación controlada de cristales 2D.

El paso más crítico en el procedimiento es el de alinear y colocar el cristal superior…

Divulgazioni

The authors have nothing to disclose.

Acknowledgements

Los autores reconocen la financiación de la Universidad de Ottawa y nSERC Discovery otorgan RGPIN-2016-06717 y NSERC SPG QC2DM.

Materials

5X objective lens Nikon Metrology MUE12050 23.5 mm working distance and 0.15 numerical aperture
50X objective lens Nikon Metrology MUE21500 19 mm working distance and 0.4 numerical aperture
100X objective lens Nikon Metrology MUE21900 4.5 mm working distance and 0.8 numerical aperture
Acetone Sigma-Aldrich 270725 Purity ≥99.90%
Adhesive tape Ultron Systems, Inc.
Anisole MicroChem
Atomic force microscope Bruker Dimension Icon We typicall use the ScanAsyst mode
Bottom stage rotation manipulator Zaber Technologies X-RSW60A-PTB2 360° travel with step size of 4.091 μrad
Bottom stage X manipulator Zaber Technologies X-LSM025A-PTB2 25 mm travel with step size of 47.625 nm
Bottom stage Y manipulator Zaber Technologies X-LSM025A-PTB2 25 mm travel with step size of 47.625 nm
Bottom stage Z manipulator Zaber Technologies X-VSR40A-KX14A 40 mm travel with step size of 95.25 nm
Isopropanol Sigma-Aldrich 563935 Purity 99.999%
LabVIEW software National Instruments
Macor McMaster-Carr 8489K238
Microscope camera Zeiss 426555-0000-000 5 megapixel, 47 fps live frame rate, exposure time of 100 μs – 2 s, color camera
Molybdenum disulfide (MoS2) HQ Graphene
Optical breadboard Thorlabs, Inc. MB4545/M
Optical microscope Nikon Metrology LV150N
Oxygen plasma etcher Plasma Etch, Inc. PE-50
PDMS stamp Gel-Pak PF-20-X4
PMMA 950 A6 MichroChem Corp. M230006 0500L1GL
Polypropylene carbonate Sigma-Aldrich 389021-100g
PVA Partall #10 Composites Canada
Rhenium disulfide (ReS2) HQ Graphene
Si/SiO2 substrate Nova Electronics Materials HS39626-OX
Spin coater Laurell Technologies WS-650-23
Temperature controller Auber Instruments SYL-23X2-24 Controls the temperature of the bottom stage via a J type thermocouple
Top stage controller unit Mechonics CF.030.0003
Top stage X manipulator Mechonics MS.030.1800 18 mm travel with step size of 11 nm
Top stage Y manipulator Mechonics MS.030.1800 18 mm travel with step size of 11 nm
Top stage Z manipulator Mechonics MS.030.3000 30 mm travel with step size of 11 nm
Ultrasonic bath Elma Schmidbauer GmbH Elmasonic P 30 H

Riferimenti

  1. Novoselov, K. S., et al. Electric Field Effect in Atomically Thin Carbon Films. Science. 306 (5696), 666 (2004).
  2. Novoselov, K. S., et al. Two-dimensional atomic crystals. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 102 (30), 10451 (2005).
  3. Zhang, Y., Tan, Y. -. W., Stormer, H. L., Kim, P. Experimental observation of the quantum Hall effect and Berry's phase in graphene. Nature. 438, 201 (2005).
  4. Geim, A. K., Van Grigorieva, I. V. Van der Waals heterostructures. Nature. 499, 419 (2013).
  5. Song, J. C. W., Gabor, N. M. Electron quantum metamaterials in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology. 13 (11), 986-993 (2018).
  6. Jin, C., et al. Ultrafast dynamics in van der Waals heterostructures. Nature Nanotechnology. 13 (11), 994-1003 (2018).
  7. Rivera, P., et al. Interlayer valley excitons in heterobilayers of transition metal dichalcogenides. Nature Nanotechnology. 13 (11), 1004-1015 (2018).
  8. Lu, C. -. P., et al. Local, global, and nonlinear screening in twisted double-layer graphene. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. , 201606278 (2016).
  9. Luican-Mayer, A., Li, G., Andrei, E. Y. Atomic scale characterization of mismatched graphene layers. Journal of Electron Spectroscopy and Related Phenomena. 219, 92-98 (2017).
  10. Frisenda, R., et al. Recent progress in the assembly of nanodevices and van der Waals heterostructures by deterministic placement of 2D materials. Chemical Society Reviews. 47 (1), 53-68 (2018).
  11. Ribeiro-Palau, R., et al. Twistable electronics with dynamically rotatable heterostructures. Science. 361 (6403), 690-693 (2018).
  12. Kim, K., et al. van der Waals Heterostructures with High Accuracy Rotational Alignment. Nano Letters. 16 (3), 1989-1995 (2016).
  13. Cao, Y., et al. Unconventional superconductivity in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556 (7699), 43 (2018).
  14. Luican, A., et al. Single-layer behavior and its breakdown in twisted graphene layers. Physical review letters. 106 (12), 126802 (2011).
  15. Li, G., et al. Observation of Van Hove singularities in twisted graphene layers. Nature Physics. 6 (2), 109 (2010).
  16. Castellanos-Gomez, A., van der Zant, H. S. J., Steele, G. A. Folded MoS2 layers with reduced interlayer coupling. Nano Research. 7 (4), 572-578 (2014).
  17. van der Zande, A. M., et al. Tailoring the Electronic Structure in Bilayer Molybdenum Disulfide via Interlayer Twist. Nano Letters. 14 (7), 3869-3875 (2014).
  18. Huang, S., et al. Probing the Interlayer Coupling of Twisted Bilayer MoS2 Using Photoluminescence Spectroscopy. Nano Letters. 14 (10), 5500-5508 (2014).
  19. Liu, K., et al. Evolution of interlayer coupling in twisted molybdenum disulfide bilayers. Nature Communications. 5, 4966 (2014).
  20. Cao, Y., et al. Correlated insulator behaviour at half-filling in magic-angle graphene superlattices. Nature. 556, 80 (2018).
  21. . Tuning superconductivity in twisted bilayer graphene Available from: https://arxiv.org/abs/1808.07865 (2018)
  22. Blake, P., et al. Making graphene visible. Applied Physics Letters. 91 (6), 063124 (2007).
  23. Lin, Y. -. C., et al. Single-Layer ReS2: Two-Dimensional Semiconductor with Tunable In-Plane Anisotropy. ACS Nano. 9 (11), 11249-11257 (2015).
  24. Chenet, D. A., et al. In-Plane Anisotropy in Mono- and Few-Layer ReS2 Probed by Raman Spectroscopy and Scanning Transmission Electron Microscopy. Nano Letters. 15 (9), 5667-5672 (2015).
  25. Masubuchi, S., et al. Autonomous robotic searching and assembly of two-dimensional crystals to build van der Waals superlattices. Nature Communications. 9 (1), 1413 (2018).
  26. Ling, X., Wang, H., Huang, S., Xia, F., Dresselhaus, M. S. The renaissance of black phosphorus. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America. 112 (15), 4523-4530 (2015).
  27. Huang, B., et al. Layer-dependent ferromagnetism in a van der Waals crystal down to the monolayer limit. Nature. 546, 270 (2017).
  28. Kim, H. H., et al. One Million Percent Tunnel Magnetoresistance in a Magnetic van der Waals Heterostructure. Nano Letters. 18 (8), 4885-4890 (2018).

Play Video

Citazione di questo articolo
Boddison-Chouinard, J., Plumadore, R., Luican-Mayer, A. Fabricating van der Waals Heterostructures with Precise Rotational Alignment. J. Vis. Exp. (149), e59727, doi:10.3791/59727 (2019).

View Video